陳繼東, 周長亮, 李惠麗

(河北省木蘭林管局, 河北 圍場 068450)

接壩地區(qū)9種典型林分類型枯落物層和土壤層水文效應

陳繼東, 周長亮, 李惠麗

(河北省木蘭林管局, 河北 圍場 068450)

以八英莊林場9種典型林分類型為研究對象，對其枯落物層、土壤層水文效應進行研究，結果表明：(1) 9種典型林分類型枯落物蓄積量在5.79～24.97 t/hm2的范圍內，排序為白樺純林>白樺山楊混交林>油松純林>山楊純林>蒙古櫟純林>落葉松油松混交林>白樺黑樺混交林>落葉松純林>落葉松白樺混交林。(2) 9種典型林分類型枯落物持水能力有一定差異，排序為白樺山楊混交林>山楊純林>油松純林>白樺純林>白樺黑樺混交林>落葉松油松混交林>蒙古櫟純林>落葉松白樺混交林>落葉松純林。(3) 枯落物持水量與浸水時間呈較好的指數關系，相關系數在0.95以上，吸水速率與浸水時間呈較好的冪函數關系，相關系數大于0.9。(4) 白樺山楊混交林枯落物有效攔蓄量最大為52.63 t/hm2，落葉松白樺混交林枯落物有效攔蓄量最小為14 t/hm2。(5) 蒙古櫟純林土壤持水能力最強為117.42 t/hm2，其次是白樺山楊混交林為104.75 t/hm2，白樺純林土壤持水能力最差為37.80 t/hm2。(6) 土壤初滲速率在2.3～56.8 mm/min范圍內，土壤入滲速率與入滲時間呈較好的冪函數關系，相關系數大于0.95。

接壩地區(qū); 典型林分; 枯落物; 土壤; 水文效應

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，擁有重要的水文生態(tài)功能，在大氣水分循環(huán)中起著重要的調節(jié)作用[1-3]。森林枯落物層和土壤層作為森林水文過程中重要的兩個層次，是實現森林水源涵養(yǎng)和水土保持功能的重要部分[4-5]。其中枯落物層是森林水源涵養(yǎng)功能的主要層次，土壤層的水分貯存和滲透是反映森林水文效應的重要參數[6]。林分類型不同森林的水文功能也有所差異[7]。目前國內對于接壩地區(qū)的研究主要集中在物種多樣性、地質、土壤等方面，對水文功能的研究則相對較少[8]，本文以接壩地區(qū)9種典型林分類型為研究對象，從枯落物層和土壤層兩個層面出發(fā)，對接壩地區(qū)典型林分的水文效應進行分析，以期為接壩地區(qū)森林健康監(jiān)測和評價以及合理地經營森林提供科學理論依據和數據支持。

1 研究區(qū)概況

本次研究區(qū)位于河北省木蘭圍場國有林場管理局下的八英莊林場，地理坐標為北緯42°0′7″—42°1′46″,東經118°44′27″—118°3′25″，海拔高度1 010～1 600 m，陽坡陡，土層薄，陰坡較緩，土層較厚[9-10]。該區(qū)域屬于燕山余脈低寒區(qū)，年平均氣溫3.0℃，最低氣溫可達-42.9℃，最高氣溫達38.9℃，年積溫為1 600℃，無霜期110 d。研究區(qū)降水主要集中在每年7—8月，年平均降水量為380—560 mm。該區(qū)土壤主要分為7類，即棕壤、褐土、黑土、風沙土、草甸土、沼澤土以及灰色森林土[11]。主要喬木樹種有白樺(Betulaplatyphylla)，油松(Pinustabulae)，華北落葉松(Larixprincipis-rupprechti)，山楊(Pobulusdavidiana)，蒙古櫟(Quercusmongolica)，五角楓(Acermonomaxim)等[12]。

2 研究方法

2.1 樣地調查

本次研究區(qū)設在河北省木蘭林管局八英莊林場，在對全林區(qū)森林植被全面調查的基礎上，選擇具有代表性、典型性的林分類型，在林區(qū)內設置山楊純林、白樺純林、油松純林、蒙古櫟純林、落葉松純林、落葉松白樺混交林、落葉松油松混交林、白樺黑樺混交林和白樺山楊混交林9種林分類型的標準地各1塊，并對標準地坡向、坡度、海拔進行記錄，對標準地林分郁閉度、平均胸徑、平均樹高進行測定，其中郁閉度的測定采用樣點法，標準地概況見表1。

表1 不同林分類型標準地概況

2.2 研究方法

(1) 枯落物現存量測定。分別在各林分類型標準地內，分上坡、中坡、下坡各設置1塊面積為1.0 m×1.0 m樣方，分別測量各樣方內枯落物總厚度及半分解層、未分解層厚度，之后對枯落物進行分層取樣，量取鮮重，并烘干稱其干重，計算枯落物自然含水率和現存量。

(2) 枯落物持水過程測定。采用室內浸水法對枯落物持水過程進行測定，將烘干的枯落物浸入水中，并在0.5，1，2，4，6，8，10，12，24 h時記錄其濕重，并計算枯落物最大持水量、最大持水率(其中枯落物最大持水量為枯落物浸水24 h的持水量，相對應的持水率為最大持水率)，分析枯落物持水過程。

(3) 枯落物有效攔蓄量的測定。有效攔蓄量可用來估算枯落物對降雨的實際攔蓄量,即:

W=(0.85Rn—Ro)×M

式中：W為有效攔蓄量(t/hm2)；Rn為最大持水率(%)；Ro為平均自然含水率(%)；M為枯落物蓄積量(t/hm2)。

(4) 土壤物理性質及持水能力測定。采用剖面法對土壤進行分層取樣，采取環(huán)刀法在土壤剖面0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm處機械取樣，并通過浸水法、置砂法來測定土壤物理性質和持水能力。

(5) 土壤入滲測定。土壤入滲的測定采用雙環(huán)法。

3 結果與分析

3.1 不同林分類型枯落物層水文效應

3.1.1 不同林分類型枯落物蓄積量分析 枯落物蓄積量是評價森林水文效應的重要指標?？萋湮镄罘e量的多少取決于枯落物的輸入量和枯落物的分解速度。因此林分類型、林分生長情況、林地水熱條件等都會間接影響枯落物的蓄積量[13]。由表2可知，不同林分類型枯落物的蓄積量有一定的差異，在5.79～24.97 t/hm2的范圍浮動。其中不同林分類型枯落物總蓄積量排序為白樺純林(24.97 t/hm2)>白樺山楊混交林(24.16 t/hm2)>油松純林(23.61 t/hm2)>山楊純林(23.25 t/hm2)>蒙古櫟純林(12.73 t/hm2)>落葉松油松混交林(12.70 t/hm2)>白樺黑樺混交林(10.50 t/hm2)>落葉松純林(9.63 t/hm2)>落葉松白樺混交林(5.79 t/hm2)。不同林分類型枯落物半分解層、未分解層蓄積量所占比例不同。其中落葉松純林、落葉松油松混交林未分解層蓄積量大于半分解層蓄積量，其他林分類型半分解層蓄積量大于未分解層蓄積量。其中白樺純林枯落物半分解層所占比例最大為74.02%，落葉松純林半分解層所占比例最小為46.32%，這主要是因為針葉樹種和闊葉樹種的分解難易程度不同。

表2 不同林分類型枯落物蓄積量

3.1.2 不同林分類型枯落物持水量分析 枯落物干物質的最大持水量和最大持水率多用來表示枯落物的持水能力，影響其大小的因素有很多，包括植被類型、枯落物的組成、林齡、枯落物的分解累積狀況等因素[14]。由表3可知，不同林分類型枯落物的最大持水量不同，在61.18～11.95 t/hm2范圍內，最大持水量總和排序為白樺山楊混交林(61.18 t/hm2)>山楊純林(46.46 t/hm2)>油松純林(38.32 t/hm2)>白樺純林(34.26 t/hm2)>白樺黑樺混交林(28.07 t/hm2)>落葉松油松混交林(25.34 t/hm2)>蒙古櫟純林(24.46 t/hm2)>落葉松白樺混交林(13.29 t/hm2)>落葉松純林(11.95 t/hm2)。不同林分類型枯落物的最大持水率變化范圍在297.67%～162.43%，排序為落葉松白樺混交林(297.67%)>白樺山楊混交林(288.90%)>落葉松油松混交林(284.28%)>白樺黑樺混交林(258.80%)>落葉松純林(233.81%)>山楊純林(212.92%)>蒙古櫟純林(205.71%)>白樺純林(164.22%)>油松純林(162.43%)。不同林分類型枯落物最大持水量和持水率不同是因為枯落物持水量與枯落物蓄積量有關，枯落物的蓄積量又與枯落物的分解程度有關，枯落物的分解程度越大，即枯落物的半分解層蓄積量越大，枯落物的持水能力越強。因此枯落物分解難易程度影響枯落物的持水能力。

表3 不同林分類型枯落物最大持水量和最大持水率

3.1.3 不同林分類型枯落物攔蓄量分析 枯落物層的最大持水量和最大持水率只代表了枯落物層的持水能力，而并不能代表枯落物層對降水的實際攔蓄量和攔蓄能力；枯落物的有效攔蓄量才能真實反映枯落物實際攔蓄降水的量[15]。由表4可知，不同林分類型枯落物未分解層、半分解層攔蓄能力不同。其中枯落物未分解層有效攔蓄量排序為白樺山楊混交林(24.04 t/hm2)>山楊純林(21.82 t/hm2)>落葉松油松混交林(18.76 t/hm2)>落葉松純林(11.82 t/hm2)>白樺純林(11.02 t/hm2)>白樺黑樺混交林(10.26 t/hm2)>蒙古櫟純林(9.73 t/hm2)>油松純林(7.25 t/hm2)>落葉松白樺混交林(6.76 t/hm2)。枯落物半分解層有效攔蓄量排序為白樺山楊混交林(28.59 t/hm2)>油松純林(20.68 t/hm2)>山楊純林(13.40 t/hm2)>白樺純林(13.26 t/hm2)>落葉松油松混交林(11.03 t/hm2)>白樺黑樺混交林(10.62 t/hm2)>蒙古櫟純林(9.69 t/hm2)>落葉松白樺混交林(7.24 t/hm2)>落葉松純林(6.01 t/hm2)。綜合枯落物未分解層、半分解層有效攔蓄量可知白樺山楊混交林枯落物有效攔蓄量最大為52.63 t/hm2，落葉松白樺混交林枯落物有效攔蓄量最小為14 t/hm2。

3.1.4 不同林分類型枯落物持水過程分析

(1) 不同林分類型枯落物持水量與浸水時間關系?？萋湮锍炙颗c浸水時間有一定的相關關系，由圖1可知在浸水0～2 h內枯落物持水量迅速增加，2 h之后枯落物持水量持續(xù)增加，但增加的速度逐漸緩慢，最后趨于不變。這是因為枯落物的干燥程度的變化，跟實際降水過程中一樣，降水開始，枯落物較干燥對水分的截持能力較強，之后枯落物達到一定濕度，即枯落物達到一定的持水量，對降水的截持能力逐漸變小。從圖中還可以看出白樺純林、白樺山楊混交林未分解層持水量在各時間段高于半分解層，其他林分類型則是半分解層持水量大于未分解層。對各林分類型枯落物半分解層、未分解層持水量與浸水時間關系進行擬合，見表5得出關系為：Q=aln(t)+b式中：Q為枯落物持水量(g/kg)；t為浸水時間(h)；a為方程系數；b為常數項。

表4 不同林分類型枯落物攔蓄能力

圖1 不同林分類型枯落物持水量與浸水時間關系

(2) 不同林分類型枯落物吸水速率與浸水時間關系。由圖2可以看出，不同林分類型枯落物未分解層、半分解層系吸水速率與浸水時間有一定的相關關系，從圖中可以看出，枯落物吸水速率在0～2 h之間隨浸水時間推移急速下降，2 h之后逐漸下降，但下降的速度趨于緩慢，到浸水24 h時吸水速率基本為0 g/(kg·h)，枯落物基本達到飽和。

對各林分類型枯落物半分解層、未分解層吸水速率與浸水時間關系進行擬合，見表5得出關系為：V=atb

式中：V為枯落物吸水速率g/(kg·h)；t為浸水時間(h)；a為方程系數；b為常數項。

3.2 不同林分類型土壤層水文效應

3.2.1 不同林分類型土壤容重 土壤容重是反映土壤通氣、透水性的重要參考指標，其值越小說明土壤越疏松，土壤的通氣透水性越好，其值越大，說明土壤越結實，通氣透水性越差[16]。由表6可知，落葉松純林土壤容重最大為1.25 g/cm3，山楊純林土壤容重最小為0.80 g/cm3，不同林分類型土壤容重排序為落葉松純林(1.25 g/cm3)>落葉松油松混交林(1.24 g/cm3)>落葉松白樺混交林(1.13 g/cm3)>蒙古櫟純林(1.11 g/cm3)>油松純林(1.08 g/cm3)>白樺黑樺混交林(0.98 g/cm3)>白樺山楊混交林(0.91 g/cm3)>白樺純林(0.90 g/cm3)>山楊純林(0.80 g/cm3)。

圖2 不同林分類型枯落物吸水速率與浸水時間關系

林分類型持水量與浸水時間關系式R2吸水速率與浸水時間關系式R2ⅠQ=567.8ln(t)+1527.00.982V=4335.0t-0.500.945ⅡQ=649.0ln(t)+917.20.984V=2731.0t-1.360.927ⅢQ=600.8ln(t)+345.70.982V=1194.0t-1.100.863ⅣQ=399.4ln(t)+1624.00.984V=4535.0t-1.580.948未分解層ⅤQ=206.91ln(t)+1988.00.970V=5481.0t-1.680.951ⅥQ=332.2ln(t)+2458.00.980V=6791t-1.650.950ⅦQ=438.5ln(t)+1723.00.984V=4815.0t-1.570.948ⅧQ=188.4ln(t)+2335.00.951V=6428.0t-1.700.951ⅨQ=674.1ln(t)+2018.00.982V=5777.0t-1.530.936ⅠQ=239.3ln(t)+1266.00.956V=3522.0t-1.610.944ⅡQ=436.5ln(t)+322.80.984V=1058.0t-1.180.888ⅢQ=354.0ln(t)+1076.00.984V=3033.0t-1.530.943ⅣQ=403.4ln(t)+1263.00.984V=3556.0t-1.530.955半分解層ⅤQ=224.7ln(t)+2531.00.956V=6977.0t-1.690.956ⅥQ=86.89ln(t)+3333.00.956V=9162.0t-1.750.956ⅦQ=359.21ln(t)+32410.981V=8943.0t-1.670.954ⅧQ=258.6ln(t)+1918.00.984V=5299.0t-1.650.952ⅨQ=453.7ln(t)+1790.00.981V=4998.0t-1.570.945

表6 不同林分類型土壤物理性質

3.2.2 不同林分類型土壤孔隙度 毛管孔隙具有明顯的毛管作用，水分能保持在其中，水分容易被植物吸收利用，因此土壤孔隙度的大小直接反映森林植被吸持水分用于維持自身生長發(fā)育的能力；而非毛管孔隙水分不能保持其中，為空氣占據，如果非毛管孔隙度大，其可以大量吸收雨水，因此非毛管孔隙度的大小直接影響森林土壤滯留水分和調節(jié)水分的功能[17]。由表6可知不同林分類型土壤毛管孔隙度排序為白樺黑樺混交林(56.21%)>白樺山楊混交林(50.61%)>落葉松白樺混交林(50.40%)>山楊純林(49.20%)>白樺純林(48.75%)>落葉松純林(40.11%)>油松純林(38.24%)>落葉松油松混交林(37.87%)>蒙古櫟純林(34.02%)，說明白樺黑樺混交林土壤中能被植物利用的水分較多。不同林分類型土壤非毛管孔隙度排序為蒙古櫟純林(11.74%)>白樺山楊混交林(10.48%)>山楊純林(9.48 %)>油松純林(8.55%)>白樺黑樺混交林(6.26%)>落葉松白樺混交林(5.35%)>落葉松純林(5.03%)>落葉松油松混交林(4.50%)>白樺純林(3.78%)，說明蒙古櫟純林土壤通透性好，水源涵養(yǎng)功能較強。不同林分類型土壤總孔隙度排序為白樺黑樺混交林(62.47%)>白樺山楊混交林(61.09%)>山楊純林(58.68%)>落葉松白樺混交林(55.74%)>白樺純林(52.53%)>油松純林(46.79%)>蒙古櫟純林(45.76%)>落葉松純林(45.13%)>落葉松油松混交林(42.37%)。

3.2.3 不同林分類型土壤持水能力 由表7可知不同林分類型土壤最大持水量排序為白樺黑樺混交林(624.70 t/hm2)>白樺山楊混交林(610.89 t/hm2)>山楊純林(586.79 t/hm2)>落葉松白樺混交林(557.44 t/hm2)>白樺純林(525.30 t/hm2)>油松純林(467.93 t/hm2)>蒙古櫟純林(457.63 t/hm2)>落葉松純林(451.35 t/hm2)>落葉松油松混交林(423.74 t/hm2)。不同林分類型土壤有效持水量排序為蒙古櫟純林(117.42 t/hm2)>白樺山楊混交林(104.75 t/hm2)>山楊純林(94.76 t/hm2)>油松純林(85.49 t/hm2)>白樺黑樺混交林(62.62 t/hm2)>落葉松白樺混交林(53.46 t/hm2)>落葉松純林(50.26 t/hm2)>落葉松油松混交林(45.01 t/hm2)>白樺純林(37.80 t/hm2)，蒙古櫟純林土壤有效持水量最大，說明蒙古櫟純林土壤水土保持功能最強。

表7 不同林分類型土壤持水能力

3.2.3 不同林分類型土壤入滲 土壤滲透性反映土壤物理性質的重要性質之一，是反映土壤水源涵養(yǎng)功能的重要指標。由表8可以看出，白樺黑樺混交林土壤初滲速率最大為56.8 mm/min，白樺純林、油松純林土壤初滲速率最小為2.3 mm/min。不同林分類型土壤穩(wěn)滲速率排序為蒙古櫟純林(2.3 mm/min)>白樺山楊混交林(2.0 mm/min)>山楊純林(8.6 mm/min)>油松純林(1.2 mm/min)>白樺黑樺混交林(3.1 mm/min)>落葉松白樺混交林(2.8 mm/min)>落葉松純林(2.0 mm/min)>落葉松油松混交林(1.9 mm/min)>白樺純林(1.1 mm/min)。將土壤入滲速率與入滲時間進行擬合，得擬合關系式為：

y=atb，R>0.95。

式中：y為入滲速率(mm/min)；t為入滲時間(min)；a，b為常數項。

表8 不同林分類型土壤滲透速率及入滲模型

4 結 論

(1) 對研究區(qū)內9種典型林分類型枯落物蓄積量進行分析：不同林分類型枯落物的蓄積量在5.79～24.97 t/hm2的范圍內。白樺純林枯落物總蓄積量最大為24.97 t/hm2，落葉松白樺混交林最小為5.79 t/hm2。9種典型林分類型枯落物持水能力在61.18～11.95 t/hm2范圍內，其中白樺山楊混交林持水能力最強為61.18 t/hm2，其次是山楊純林為46.46 t/hm2，落葉松純林持水能力最差為11.95 t/hm2。白樺山楊混交林枯落物有效攔蓄量最大為52.63 t/hm2，落葉松白樺混交林枯落物有效攔蓄量最小為14 t/hm2。對9種典型林分類型枯落物持水量與浸水時間關系進行擬合，關系式為Q=aln(t)+b，相關系數大于0.95，吸水速率與浸水時間關系進行擬合，關系式為V=atb，相關系數在0.9以上。

(2) 9種典型林分類型中，蒙古櫟純林土壤持水能力最強為117.42 t/hm2，其次是白樺山楊混交林為104.75 t/hm2，白樺純林土壤持水能力最差為37.80 t/hm2。白樺黑樺混交林土壤初滲速率最大為56.8 mm/min，白樺純林、油松純林土壤初滲速率最小為2.3 mm/min，兩者相差24.7倍。不同林分類型土壤穩(wěn)滲速率相差不大，將土壤入滲速率與入滲時間進行擬合，得擬合關系式為y=atb，相關系數大于0.95。

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HydrologicalEffectsofLitterandSoilsinNineForestTypesoftheJiebaRegion

CHEN Jidong, ZHOU Changliang, LI Huili

(MulanForestryAdminstrationBureau,Weichang,Hebei068450,China)

A pilot study of hydrological effects of litter and soil layer was carried out in nine forest types in Bayingzhuang forest farm. The results showed: (1) the total storage capacity of litter was about 5.79～24.97 t/hm2, which decreased in the order:BetulaplatyphyllaSuk. pure forest>BetulaplatyphyllaSuk.-Populusdavidianamixed forest>Pinustabuliformispure forest>Populusdavidianapure forest>Quercusmongolicapure forest>Larixprincipisrupprechti-Pinustabuliformismixed forest>BetulaplatyphyllaSuk.-Betuladavuricamixed forest>Larixprincipisrupprechtipure forest>Larixprincipisrupprechti-BetulaplatyphyllaSuk. mixed forest; (2) there were some differences in water holding capacities of litter in 9 forest types, which decreased in the order ofBetulaplatyphyllaSuk.-Populusdavidianamixed forest>Populusdavidianapure forest>Pinustabuliformispure fores>BetulaplatyphyllaSuk. pure forest>BetulaplatyphyllaSuk.-Betuladavuricamixed forest>Larixprincipisrupprechti-Pinustabuliformismixed fores>Quercusmongolicapure forest>Larixprincipisrupprechti-BetulaplatyphyllaSuk. mixed forest>Larixprincipisrupprechtipure forest; (3) water holding capacity and soaking time had the significant logarithmic relationship, the correlation coefficient was above 0.95; the relationship between absorption rate and soaking time could be described by power function, the correlation coefficient was greater than 0.90; (4) the modified interception amount ofQuercusmongolicapure forest was the strongest, which was 52.63 t/hm2; the modified interception amount ofLarixprincipisrupprechti-BetulaplatyphyllaSuk. mixed forest was the least, which was 14 t/hm2; (5) water holding capacity of soil inQuercusmongolicapure forest was strongest, which was 117.42 t/hm2, water holding capacity of soil inBetulaplatyphyllaSuk.-Populusdavidianamixed forest came the next, which was 104.75 t/hm2, water holding capacity of soil inBetulaplatyphyllaSuk. pure forest was the least, which was 37.80 t/hm2; (6) the soil initial infiltration rate was about 2.3～56.8 mm/min; The relationship between the infiltration rate and infiltration time could be fitted by power function, the correlation coefficient was greater than 0.95.

Jieba region; forest types; litter; soil; hydrological effect

S715.7

A

1005-3409(2017)06-0216-06

2017-01-09

2017-01-20

河北省林業(yè)科技指導項目“木蘭林區(qū)森林流域經營關鍵技術研究”(1305448)

陳繼東(1980—),男,河北涿鹿人,在讀碩士,林業(yè)高級工程師,從事森林資源管理與經營方面工作。E-mail:20132638@qq.com

李惠麗(1992—),女,河北藁城人,碩士,從事森林經營方面工作。E-mail:245539483@qq.com